高速聚晶金剛石複合片的製作方法

2023-09-16 01:34:35

專利名稱：高速聚晶金剛石複合片的製作方法
技術領域：
本發明涉及超硬材料領域，尤其涉及一種高速聚晶金剛石複合片。
背景技術：
常規金剛石複合齒一般由表層的聚晶金剛石複合片和底層的硬質合金基體通過高溫高壓複合而成。聚晶金剛石複合片具有硬度高、耐磨性好的特點，而硬質合金基體又從整體上提高了複合材料的柔韌性和可焊性。由於聚晶金剛石複合片是金剛石複合齒上最為重要的切削工作表面，工作過程中，切削應力主要集中在聚晶金剛石複合片的上端面與側面的交線處即切削刃輪廓線處。可見，聚晶金剛石複合片的整體性能、特別是聚晶金剛石複合片的切削刃輪廓線的形狀對於金剛石複合齒的性能而言起著關鍵的決定性作用。聚晶金剛石複合片的切削力和衝擊力度由切削刃輪廓線的長度決定，切削刃輪廓線的長度越長，切削力和衝擊力度越大；反之，則切削力和衝擊力度越小。傳統的聚晶金剛石複合片在生產過程中，一般都採用同一配方的聚晶材料燒結而成，其所形成的聚晶金剛石複合片是在整體上具有統一硬度的圓片體。這種圓片狀的聚晶金剛石複合片受其自身形狀的限制，其切削刃輪廓線的長度往往難以增長。另外，由於這種聚晶金剛石複合片在使用過程中，其各處受力點的磨損程度大體相同；因此在整個聚晶金剛石複合齒的壽命期內，其切削刃輪廓線的長度變化不大。可見，傳統聚晶金剛石複合片會隨著其使用時間的增長，切削力和衝擊力度性能不僅不會增大，反而會隨著聚晶金剛石複合片的磨損，性能逐步降低。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高速聚晶金剛石複合片，它能夠在保證在出刃高度的前提下，讓聚晶金剛石複合片能夠更好的嵌入巖層。為解決上述問題，本發明所設計的高速聚晶金剛石複合片，包括圓片狀的複合片本體，所述複合片本體主要由多塊硬質扇形塊和多塊軟質扇形塊複合而成，其中硬質扇形塊和軟質扇形塊均呈扇形，且兩者之間具有不同的磨耗比；多塊具有相同圓心和半徑的硬質扇形塊和軟質扇形塊相互間隔設置，共同構成一個完成的圓片；其中兩個相鄰扇形塊之間具有不同的磨耗比，兩個相間隔扇形塊之間具有相同的磨耗比。為了提高聚晶金剛石複合片的強度，上述方案所述複合片本體最好還包括有一硬質圓柱塊；該硬質圓柱塊呈圓柱狀，並位於複合片本體的中央；多塊硬質扇形塊和多塊軟質扇形塊均環繞該硬質圓柱塊設置。上述方案中，所述硬質圓柱塊與硬質扇形塊的磨耗比最好相同。為了增長聚晶金剛石複合片的切削刃輪廓線的長度，上述方案中，每個硬質扇形塊和/或每個軟質扇形塊的上表面最好呈上凸的弧形，多塊硬質扇形塊和多塊軟質扇形塊所構成的上表面形成瓦楞狀的弧形端面。為了防止地層顆粒卡入聚晶金剛石層上端面的凹陷處，上述方案中，所述複合片本體的上部最好還包括有一層軟質保護層。
上述方案中，軟質保護層的磨耗比最好小於軟質扇形塊的磨耗比。為了加強聚晶金剛石複合片和底層硬質合金基體之間的緊固強度，上述方案中， 所述複合片本體的下部最好還包括有一層硬質保護層。上述方案中，硬質保護層與硬質扇形塊的磨耗比最好相同。上述方案中，硬質扇形塊和軟質扇形塊的磨耗比最好介於10 1 10 9之間。上述方案中，硬質扇形塊和軟質扇形塊的面積比最好介於1 1 5 1之間。與現有技術相比，本發明聚晶金剛石複合片採用硬質扇形塊和軟質扇形塊相互間隔設置組合而成；首先，由於硬質扇形塊和軟質扇形塊採用不同磨耗比的材料燒結而成，硬質扇形塊和軟質扇形塊結合部位的聚晶材料相互滲透，形成平滑過渡，這樣相對於傳統同一磨耗比材質的聚晶金剛石複合片而言，增強了聚晶金剛石複合片的抗衝擊力，使其不易崩裂；其次，本發明在鑽頭的切削過程中，由於軟質扇形塊的磨損速度要快於硬質扇形塊的磨損速度，聚晶金剛石複合片的表面和切削刃輪廓線的逐漸會形成鋸齒狀；因此在相同鑽壓下，其切削力能夠增加一倍以上，而作用在相同硬度的巖層中，其效率可達傳統聚晶金剛石複合片的1.3 2.0倍以上；再者，本發明隨著使用時間的增加，聚晶金剛石複合片的性能不僅不會降低，反而會因切削刃輪廓線的長度增加而使的聚晶金剛石複合片的切削力和衝擊力度性能增加；最後，由於本發明具有更高的效率以及更長的壽命(總切削進尺深度)，因此在使用過程中，無需頻繁更換，從而有效節約了起鑽和下鑽時間，使其更適用於石油、天然氣、海上石油鑽探等鑽進深度大的鑽探領域。


圖1為本發明一種高速聚晶金剛石複合片的結構示意圖。圖中標號為1、軟質保護層；2-1、硬質扇形塊；2-2、軟質扇形塊；2-3、硬質圓柱塊；3、硬質保護層。
具體實施例方式參見圖1，本發明一種高速聚晶金剛石複合片，包括圓片狀的複合片本體，所述複合片本體主要由多塊硬質扇形塊2-1和多塊軟質扇形塊2-2複合而成。其中硬質扇形塊2-1 和軟質扇形塊2-2均呈扇形，且兩者之間具有不同的磨耗比。多塊具有相同圓心和半徑的硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2相互間隔設置，共同構成一個完成的圓片。上述聚晶金剛石複合片在生產時選用兩種不同磨耗比的金剛石微粉燒結而成，其中兩個相鄰扇形塊之間具有不同的磨耗比，兩個相間隔扇形塊之間具有相同的磨耗比。具有不同磨耗比的硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2結合部位的聚晶材料在燒結過程中相互滲透，形成平滑過渡， 這樣相對於傳統同一磨耗比材質的聚晶金剛石複合片而言，能有效增強聚晶金剛石複合片的抗衝擊力，使其不易崩裂。另外，由於硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2具有不同的磨耗比，因此在使用過程中，其磨損程度也不盡相同。隨著使用時間的增加，軟質扇形塊2-2磨損的速度要快於硬質扇形塊2-1，這樣聚晶金剛石複合片的表面和切削刃輪廓線的逐漸會形成鋸齒狀。根據性能要求確定硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的材料和尺寸。本發明所述每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的磨耗比介於10 1 10 9之間；每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的面積比介於1 1 5 1之間。組成本發明聚晶金剛石複合片主體部分的硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的個數均介於6 12之間。在本發明優選實施例中，所述聚晶金剛石片的主體部分由6塊硬質扇形塊2-1和6塊軟質扇形塊2-2組合而成，每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的磨耗比為10 5，每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的面積比為1 1。組成複合片本體的硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2可以均為圓錐扇形，此時所有扇形塊的交點即為複合片的中心。但為了避免多個扇形塊的尖端匯聚而導致聚晶金剛石複合片的中心脆弱易崩裂的現象，在本發明優選實施例中，所述複合片本體還包括有一硬質圓柱塊2-3，以提高複合片自身的強度。該硬質圓柱塊2-3呈圓柱狀，並位於複合片的中央；此時硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2均為圓臺扇形，並環繞該硬質圓柱塊2-3設置。 上述硬質圓柱塊2-3選用的聚集材料的硬度應大於或等於硬質扇形塊2-1的。在本發明優選實施例中，所述硬質圓柱塊2-3與硬質扇形塊2-1的磨耗比相同。每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的上表面可以呈平面狀。這樣當由硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的厚度相同時，硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2所構成的上表面形成一個水平面，而當硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的厚度不相同時如考慮到後期磨損，在生產時讓軟質扇形塊2-2的厚度略小於硬質扇形塊2-1的厚度，硬質扇形塊 2-1和軟質扇形塊2-2所構成的上表面形成一個具有多個徑向凹槽的非平面。為了突破聚晶金剛石複合片自身形狀的限制，以進一步提高其切削刃輪廓線的長度，在本發明優選實施例中，每個硬質扇形塊2-1和/或每個軟質扇形塊2-2的上表面均呈上凸的弧形，多塊硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2所構成的上表面形成瓦楞狀的弧形端面。上述端面結構使得該聚晶金剛石層得切削刃輪廓線形成為一個繞聚晶金剛石層側面環繞的波浪形曲線， 這樣既能增加切削麵積和切削輪廓線的周長，又能減小切削刃輪廓與地層的夾角，從而使得該聚晶金剛石層嵌入地層的能力高於相同尺寸的圓形複合片。每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的上表面曲率可以相同、也可以不相同。在本實用新型優選實施例中，所述硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的上表面具有同一的曲率。每個硬質扇形塊2-1和每個軟質扇形塊2-2的上表面結合處可以直接相連，也可以通過一小段徑向延伸的過渡槽相連。該過渡槽可以為平面和/或下凹的弧面，而為了進一步延長切削刃輪廓線的長度，在本發明優選實施例中，所有過渡槽均為下凹的弧面。上述硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的上表面可以直接構成的複合片的上端面，但為了緩解聚晶金剛石複合片、尤其是切削刃輪廓線所受到的衝擊，所述複合片本體還包括有一層軟質保護層1，該軟質保護層1處於複合片本體的上部，其磨耗比可以等於或小於軟質扇形塊2-2的磨耗比。軟質保護層1的下表面與硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2 構成的上表面相結合，軟質保護層1的上表面可以為上凸的弧形面或平面。由於軟質保護層1的磨耗比、抗衝擊力以及耐磨性的參數性能均等於或低於聚晶金剛石複合片的主體部分，即硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的相應參數，因此軟質保護層1的磨損速度要高於聚晶金剛石複合片的主體部分，在鑽頭下探或切削的過程中，聚晶金剛石主體部分會逐漸顯露出來，這樣不僅能夠加強聚晶金剛石複合片的耐磨性和穩定性，同時也能夠避免地層破碎顆粒嵌入兩相連扇形塊的連接處，提高鑽頭的自潔性能，最終讓鑽頭的鑽進效率和使用壽命大大增加。
上述硬質扇形塊2-1和軟質扇形塊2-2的下表面可以直接構成聚晶金剛石複合片的下端面，並與硬質合金基體相連。但為了提高聚晶金剛石複合片和硬質合金基體之間的結合力，所述複合片本體還包括有一層硬質圓柱塊3，該硬質圓柱塊3處於複合片本體的下部，其磨耗比與硬質扇形塊2-1的磨耗比相同。硬質圓柱塊3的上表面與硬質扇形塊2-1 和軟質扇形塊2-2構成的下表面相結合，硬質圓柱塊3的下表面與硬質合金基體上端面相連。硬質圓柱塊3與硬質合金基體結合面可以均為平面；或在兩者的結合面上相互配合的設有凹陷和凸起，形成帶有凹槽、小孔或凹坑等的非規則面。
權利要求
1.高速聚晶金剛石複合片，包括圓片狀的複合片本體，其特徵在於所述複合片本體主要由多塊硬質扇形塊和多塊軟質扇形塊0-2)複合而成，其中硬質扇形塊(2-1) 和軟質扇形塊(2- 均呈扇形，且兩者之間具有不同的磨耗比；多塊具有相同圓心和半徑的硬質扇形塊(2-1)和軟質扇形塊(2- 相互間隔設置，共同構成一個完成的圓片；其中兩個相鄰扇形塊之間具有不同的磨耗比，兩個相間隔扇形塊之間具有相同的磨耗比。
2.根據權利要求1所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於所述複合片本體還包括有一硬質圓柱塊0-3)；該硬質圓柱塊(2- 呈圓柱狀，並位於複合片本體的中央；硬質扇形塊(2-1)和軟質扇形塊(2- 均環繞該硬質圓柱塊(2- 設置。
3.根據權利要求2所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於所述硬質圓柱塊(2-3) 與硬質扇形塊的磨耗比相同。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於每個硬質扇形塊和/或每個軟質扇形塊0-2)的上表面均呈上凸的弧形，多塊硬質扇形塊(2-1)和多塊軟質扇形塊(2- 所構成的上表面形成瓦楞狀的弧形端面。
5.根據權利要求4所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於所述複合片本體的上部還包括有一層軟質保護層(1)。
6.根據權利要求5所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於軟質保護層(1)的磨耗比小於軟質扇形塊0-2)的磨耗比。
7.根據權利要求1 3中任意一項所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於所述複合片本體的下部還包括有一層硬質圓柱塊(3)。
8.根據權利要求7中任意一項所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於硬質圓柱塊(3)與硬質扇形塊的磨耗比相同。
9.根據權利要求1所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於硬質扇形塊和軟質扇形塊0-2)的磨耗比介於10 1 10 9之間。
10.根據權利要求1所述的高速聚晶金剛石複合片，其特徵在於硬質扇形塊(2-1)和軟質扇形塊0-2)的面積比介於1 1 5 1之間。
全文摘要
本發明公開一種高速聚晶金剛石複合片，包括圓片狀的複合片本體，所述複合片本體主要由多塊硬質扇形塊和多塊軟質扇形塊複合而成，其中硬質扇形塊和軟質扇形塊均呈扇形，且兩者之間具有不同的磨耗比；多塊具有相同圓心和半徑的硬質扇形塊和軟質扇形塊相互間隔設置，共同構成一個完成的圓片；其中兩個相鄰扇形塊之間具有不同的磨耗比，兩個相間隔扇形塊之間具有相同的磨耗比。本發明能夠在保證在出刃高度的前提下，讓聚晶金剛石複合片能夠更好的嵌入巖層。
文檔編號E21B10/46GK102296931SQ20111019305
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月11日 優先權日2011年7月11日
發明者周付坤 申請人:桂林星鑽超硬材料有限公司